北京礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)建設(shè)展望

王文文 付博 張?jiān)娒? 趙云峰 韓征 李敏 劉釗

摘 要：為加強(qiáng)北京礦山地質(zhì)環(huán)境的監(jiān)測、評估和應(yīng)急決策處置能力，本文基于小型無人機(jī)、一體化三維模型、人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，提出建設(shè)具有監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)管理、決策分析、應(yīng)急管理和共享展示功能的礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)。系統(tǒng)旨在以信息技術(shù)為手段，充分挖掘礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測的數(shù)據(jù)價值，并通過智慧化的應(yīng)用，達(dá)到輔助分析、指導(dǎo)決策的目的。主要包括建設(shè)礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲、展示、更新及共享交換，并借助云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的挖掘分析，進(jìn)而服務(wù)決策分析;并考慮礦山地質(zhì)環(huán)境的特點(diǎn)，應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)輔助應(yīng)急管理;并借助地上地下一體化建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)一體化三維模型建設(shè)及多專題的三維展示分析。

關(guān)鍵詞：礦山地質(zhì)環(huán)境;小型無人機(jī);大數(shù)據(jù);三維建模

Abstract： In order to strengthen the monitoring， evaluation and emergency decision-making level of the geological environment of the mine in Beijing， this paper proposes the construction of mine geological environment monitoring and early warning information system with monitoring data management， decision analysis， emergency management and shared display functions， based on key technologies such as UAV， integrated 3D modeling， artificial intelligence and cloud computing， big data， and the Internet of Things. The system aims to use information technology as a means to fully mine the data value of mine geological environment monitoring， and through intelligent application， to achieve the purpose of assisting analysis and guiding decision-making. It mainly includes the construction of a mine geological environment monitoring database to realize data storage， display， update， and sharing exchange， and the use of cloud computing and big data technology to realize data mining analysis and then service decision analysis; and taking into account the characteristics of the mine geological environment， applications UAV tilt photogrammetry technology assists emergency management; and the use of integrated ground and underground modeling technology to achieve integrated 3D model construction and multi-thematic 3D display analysis.

Keywords： Mine geological environment; UAV; Big data; 3D modeling

0 引言

北京山區(qū)的礦山開采已有數(shù)百年歷史，由于早期礦山開采單位生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識淡漠，造成了礦山環(huán)境的持續(xù)惡化，同時出現(xiàn)了一系列地質(zhì)安全問題，具體表現(xiàn)在3個方面：地質(zhì)災(zāi)害、資源毀損和環(huán)境污染（秦沛，2017）。為此，北京市相繼出臺了有關(guān)生態(tài)建設(shè)的規(guī)劃和政策，強(qiáng)化了行政執(zhí)法力度，啟動了礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測和防治工作（甘柯等，2020;李巖等，2016;張濤等，2019），以達(dá)到緩解礦山地質(zhì)環(huán)境問題，逐步恢復(fù)礦山環(huán)境的目的。

傳統(tǒng)的礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查及監(jiān)測數(shù)據(jù)多以紙質(zhì)方式、光盤方式為介質(zhì)，通常以Excel、Word等格式進(jìn)行存儲，成果僅限于報告編制和簡單的數(shù)據(jù)分析，大量數(shù)據(jù)應(yīng)用率較低或處于閑置狀態(tài)，數(shù)據(jù)價值未得到充分利用與有效挖掘，預(yù)警預(yù)報難以實(shí)現(xiàn)。

因此，在當(dāng)前的礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測過程中，亟需開展信息化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的融合、集成、存儲和管理，并充分利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)資源開發(fā)利用，為生態(tài)環(huán)境保護(hù)決策和管理提供數(shù)據(jù)支撐。

1 系統(tǒng)建設(shè)的總體思路

1.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

北京礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)將基于現(xiàn)有的礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)及監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，形成具有監(jiān)測數(shù)據(jù)管理能力、決策分析能力、應(yīng)急管理能力和共享展示能力的專業(yè)監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)，并將作為八大監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)之一，為未來首都地質(zhì)資源環(huán)境承載力監(jiān)測預(yù)警平臺提供礦山地質(zhì)環(huán)境的專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)和預(yù)警分析功能，全面保障北京市的礦山地質(zhì)安全，促進(jìn)礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)及礦山生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建協(xié)調(diào)發(fā)展（圖1）。

1.2 系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)

系統(tǒng)基于礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的前期建設(shè)成果及信息化的工作要求，依賴新一代的信息技術(shù)，建設(shè)成為銜接數(shù)據(jù)采集、存儲、挖掘分析、共享展示及智能化應(yīng)用于一體的綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)。其服務(wù)對象包括數(shù)據(jù)處室、機(jī)關(guān)領(lǐng)導(dǎo)、應(yīng)急中心及地勘院院屬單位，作為礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測的工作平臺，將重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)以下功能：實(shí)現(xiàn)對海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲、管理、展示及共享;實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的挖掘分析，以信息成果支撐決策;實(shí)現(xiàn)對礦山地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急的信息化管理;實(shí)現(xiàn)對礦山地質(zhì)成果的三維模型展示。

（2）礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測成果圖件展示。將信息系統(tǒng)中的監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，按照數(shù)據(jù)采集年度、區(qū)劃等條件進(jìn)行分類匯總，并以電子地圖、餅圖、柱狀圖、線形圖、數(shù)據(jù)列表等方式將各類數(shù)據(jù)集中展示在一張圖上，以實(shí)現(xiàn)對礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測成果的全面的信息呈現(xiàn)。

（3）礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)更新與維護(hù)管理。建立完善的完數(shù)據(jù)導(dǎo)入、錄入、展示、查詢、導(dǎo)出等功能，實(shí)現(xiàn)按年度匯交的礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測成果及時更新。

（4）數(shù)據(jù)交換共享。將實(shí)現(xiàn)礦山地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)庫與首都平臺中心數(shù)據(jù)庫進(jìn)行地質(zhì)數(shù)據(jù)的適配、轉(zhuǎn)換、對接和傳輸，并對交換過程進(jìn)行配置、監(jiān)控和管理，主要具有數(shù)據(jù)交換、交換節(jié)點(diǎn)管理等功能。

3.3 決策分析功能

礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)的主要目標(biāo)之一便是通過對監(jiān)測結(jié)果的分析以實(shí)現(xiàn)輔助決策的目的，因此決策分析是信息系統(tǒng)未來重點(diǎn)建設(shè)的功能之一。它需要高度可視化的工具環(huán)境來支持快速數(shù)據(jù)分析模型創(chuàng)建，并需借助大數(shù)據(jù)技術(shù)來得到數(shù)據(jù)分析成果，最終達(dá)到分析評價的目的。

（1）可視化的工具環(huán)境。綜合利用多種來源的空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)，通過創(chuàng)建豐富多樣的地圖、統(tǒng)計(jì)圖表對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，并可基于圖形、圖表分析結(jié)果和多種分析函數(shù)，通過簡單拖動，快速創(chuàng)建基于不同統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果。通過提供強(qiáng)有力的交互能力和分析能力，支持用戶從各個角度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

（2）大數(shù)據(jù)挖掘分析。將通過Hadoop并行計(jì)算技術(shù)、分布式存儲技術(shù)結(jié)合ArcGIS的空間數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海量空間數(shù)據(jù)與分布式運(yùn)算的結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)空間大數(shù)據(jù)的挖掘分析，實(shí)現(xiàn)對各類礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警相關(guān)的海量時空大數(shù)據(jù)進(jìn)行多元化、多維度的查詢、統(tǒng)計(jì)、挖掘與在線調(diào)用服務(wù)。

（3）成果信息展示。將通過對礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測業(yè)務(wù)表格進(jìn)行分析，提取知識指標(biāo)，以發(fā)生程度、發(fā)生面積、發(fā)生指標(biāo)、防治面積等重要數(shù)據(jù)為依據(jù)，以年度環(huán)比、歷史同期比、平均值和最大（?。┲当容^、加權(quán)平均曲線等分析方法，更有效的在測報數(shù)據(jù)中總結(jié)凝練出預(yù)警預(yù)報等關(guān)鍵信息。

（4）分析評價。根據(jù)多要素疊加分析理論，利用層次分析法、Delphi法，并結(jié)合GIS空間分析技術(shù)，建立礦山地質(zhì)環(huán)境的分析評價模型，實(shí)現(xiàn)礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測業(yè)務(wù)的分析評價服務(wù)。

3.4 應(yīng)急管理功能

礦山地質(zhì)環(huán)境的應(yīng)急管理與其預(yù)警服務(wù)是相輔相成的，由數(shù)據(jù)挖掘得到預(yù)警信息，再對預(yù)警信息進(jìn)行分析評價觸發(fā)應(yīng)急服務(wù)，形成監(jiān)測、預(yù)警和應(yīng)急處置的閉環(huán)，同時需要對各應(yīng)急事件進(jìn)行信息管理，做到應(yīng)急處置的事件可管理、可統(tǒng)計(jì)、可追溯。

（1）應(yīng)急信息管理。對應(yīng)急事件的監(jiān)測點(diǎn)、事件定位點(diǎn)、應(yīng)急人員、應(yīng)急值班計(jì)劃、應(yīng)急避險場所、應(yīng)急設(shè)備等應(yīng)急信息進(jìn)行管理;對應(yīng)急事件的時間地點(diǎn)、起因、處理措施、處理過程和結(jié)果、處理后的遺留問題等信息進(jìn)行管理;對歷史應(yīng)急預(yù)案日志進(jìn)行管理，自動統(tǒng)計(jì)不同預(yù)警區(qū)內(nèi)的隱患點(diǎn)、災(zāi)害類型、災(zāi)害規(guī)模、威脅對象、威脅人數(shù)等，統(tǒng)計(jì)結(jié)果能夠生成多種樣式的統(tǒng)計(jì)圖表，并可以直接導(dǎo)出圖表。

（2）應(yīng)急事件服務(wù)。預(yù)警數(shù)據(jù)得出后，需根據(jù)建立好的等級評價模型計(jì)算相關(guān)事件等級，并根據(jù)基本信息及模型庫中的評價計(jì)算模型確定事件的處置方法，提供專家或者其它技術(shù)人員對生成的預(yù)警信息進(jìn)行審核確認(rèn)。應(yīng)急事件發(fā)生后，根據(jù)事件基本信息，結(jié)合系統(tǒng)分析功能，自動生成初步應(yīng)急報告，形成事故參考處置方案，并借助相關(guān)技術(shù)專家的指導(dǎo)，形成科學(xué)的應(yīng)急指揮決策，應(yīng)急人員根據(jù)應(yīng)急工作布置，開展應(yīng)急救援，并實(shí)時反饋信息，系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時信息修改事故參考處置方案，供應(yīng)急管理人員調(diào)整應(yīng)急方案。

（3）小型無人機(jī)應(yīng)急管理。由于應(yīng)急事件處理強(qiáng)調(diào)的是“快速”和“高效”，而小型無人機(jī)遙感便非常的適合于這種需求，因此將在礦山地災(zāi)應(yīng)急管理中建立小型無人機(jī)應(yīng)急管理專題。此功能結(jié)合數(shù)據(jù)管理模塊中的無人機(jī)數(shù)據(jù)管理功能，共同提供小型無人機(jī)應(yīng)急管理服務(wù)，當(dāng)無人機(jī)數(shù)據(jù)處理分析形成應(yīng)急結(jié)果時，直接觸發(fā)小型無人機(jī)的應(yīng)急服務(wù)，可提供無人機(jī)應(yīng)急數(shù)據(jù)采集、快速三維模型建模功能，直接作為應(yīng)急處置工作的底圖，直觀的輔助應(yīng)急決策。

3.5 共享展示功能

共享展示功能將實(shí)現(xiàn)專題成果中三維模型、高清遙感影像、各專題評價成果、監(jiān)測點(diǎn)和隱患點(diǎn)信息的一體化瀏覽與展示，并實(shí)現(xiàn)將三維模型集成到首都平臺的三維綜合展示平臺。

（1）三維模型的展示分析。將實(shí)現(xiàn)三維模型的多種展示形式，包括三維模型與高清遙感影像、各專題成果圖件的疊加展示，三維地質(zhì)體的推進(jìn)演示、透明化展示、剖面和切割等形式。并可進(jìn)行地質(zhì)界面及高程等值線圖生成、三維模型通用拾取、地層剝離、隧道虛擬開挖與漫游和曲面模型動態(tài)預(yù)演等功能，尤其曲面模型動態(tài)預(yù)演功能，可在原有靜態(tài)模型顯示的基礎(chǔ)上，充分挖掘模型在時間上的表達(dá)手段，通過時態(tài)演變對模型進(jìn)行動態(tài)分析表達(dá)。

（2）地上地下一體化礦山地質(zhì)模型。將實(shí)現(xiàn)礦山地上和地下模型的一體化瀏覽、展示，一體化空間分析、屬性分析、統(tǒng)計(jì)查詢等功能，為實(shí)現(xiàn)地上和地下一體的礦山的綜合評價與分析建立必要的基礎(chǔ)。

（3）三維模型的集成。地質(zhì)三維模型不僅作為獨(dú)立模型提供展示分析的功能，并且需要集成到首都平臺的綜合展示平臺，以實(shí)現(xiàn)城市地質(zhì)三維成果的統(tǒng)一集成和管理。因此按照三維綜合展示平臺的要求進(jìn)行三維模型的標(biāo)準(zhǔn)化，以順利實(shí)現(xiàn)與首都平臺的無縫集成。

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)性的介紹了北京礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)的建設(shè)思路、建設(shè)目標(biāo)及實(shí)施步驟，并對系統(tǒng)將建成的監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)管理、決策分析、應(yīng)急管理和共享展示功能進(jìn)行了詳細(xì)介紹。監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)管理作為系統(tǒng)近期實(shí)現(xiàn)的功能，將對礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測多年來積累的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、管理，提升數(shù)據(jù)的利用率，并為數(shù)據(jù)進(jìn)一步的挖掘分析打下基礎(chǔ)。而決策分析、應(yīng)急管理和共享展示作為系統(tǒng)未來實(shí)現(xiàn)的智能化應(yīng)用，將進(jìn)一步提升礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)的服務(wù)水平，其中無人機(jī)傾斜攝影測量、地上地下一體化三維模型、人工智能識別和云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)將成為系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵，未來這些關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展以及在地質(zhì)行業(yè)的深度應(yīng)用，將決定礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)的建設(shè)水平，同時系統(tǒng)建設(shè)過程中也將應(yīng)用更多、更先進(jìn)的技術(shù)作為支撐，使之逐步建設(shè)成為覆蓋礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測全業(yè)務(wù)流程的、實(shí)現(xiàn)對礦山地質(zhì)環(huán)境有效監(jiān)控的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

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